【摘 要】 隨著(zhù)云計算技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的數據被存儲在云端，但云服務(wù)器并不一定安全，存在數據泄露的風(fēng)險。針對此問(wèn)題，本文提出一種基于層級鏈技術(shù)的數據保護方案，在保證數據安全的前提下，實(shí)現數據的密態(tài)檢索。該方案將數據資產(chǎn)存儲在私有鏈上，為方便對加密數據的靈活檢索，生成加密關(guān)鍵詞索引存儲在聯(lián)盟鏈上，通過(guò)數據存儲域與訪(fǎng)問(wèn)域的隔離保證數據資產(chǎn)的機密性、完整性和不可篡改性。基于可搜索加密技術(shù)與屬性加密技術(shù)，實(shí)現密文關(guān)鍵詞檢索、細粒度訪(fǎng)問(wèn)控制與搜索結果的可驗證。本文還通過(guò)安全分析與性能評估證明了該方案的安全性，同時(shí)具有更高的計算效率。

【關(guān)鍵詞】 區塊鏈 可搜索加密 數據保護

1 引言

隨著(zhù)各領(lǐng)域數據量的激增，越來(lái)越多的機構選擇將數據存儲在云端，但有的云服務(wù)器可能是惡意的，因此存在著(zhù)一定的信息泄露風(fēng)險，必須對數據進(jìn)行加密存儲，由此導致加密數據的檢索變得十分困難，只能頻繁下載全部數據解密后再進(jìn)行使用，這無(wú)疑會(huì )消耗大量的計算資源與時(shí)間。

隨著(zhù)區塊鏈3.0時(shí)代的到來(lái)，區塊鏈技術(shù)被廣泛應用到日常生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域。區塊鏈是一種適用于存儲和查詢(xún)的高度分布式數據結構，使關(guān)鍵詞查詢(xún)能夠通過(guò)所有相關(guān)方的共識得到驗證和記錄，并通過(guò)共識機制保證數據的完整性、不可篡改性。

雖然區塊鏈的特性可以很好地保護被檢索數據的隱私，但依舊無(wú)法解決加密數據檢索困難的問(wèn)題。而可搜索加密技術(shù)恰好可以解決密文檢索困難問(wèn)題，其通常的策略是：首先創(chuàng )建索引，然后將索引和加密數據分開(kāi)存儲，通過(guò)對索引遍歷來(lái)查詢(xún)關(guān)鍵詞對應的文件，從而達到密文檢索的目的。但其他授權用戶(hù)若要進(jìn)行同樣的查詢(xún)操作，只能先獲取數據擁有者的密鑰，這顯然是不安全的。此外，屬性加密技術(shù)可以為靈活的細粒度訪(fǎng)問(wèn)控制提供支持，其將訪(fǎng)問(wèn)結構巧妙嵌入加密技術(shù)，當用戶(hù)的屬性滿(mǎn)足該訪(fǎng)問(wèn)結構方可成功解密。目前研究最多的是密文策略屬性加密，該方案將訪(fǎng)問(wèn)策略嵌入密文，將用戶(hù)的屬性作為密鑰，當屬性滿(mǎn)足密文的訪(fǎng)問(wèn)策略時(shí)即可進(jìn)行解密，否則無(wú)權進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，以此達到細粒度訪(fǎng)問(wèn)控制的目的。

本文提出了一種基于層級鏈技術(shù)的數據保護方案，在保證數據機密性、完整性的同時(shí)，實(shí)現數據密態(tài)檢索、細粒度訪(fǎng)問(wèn)控制與搜索結果的可驗證。本方案具有以下3個(gè)特點(diǎn)。

（1）采用層級鏈和可搜索加密技術(shù)，將加密數據存儲在私有鏈，加密關(guān)鍵詞索引存儲在聯(lián)盟鏈，通過(guò)數據存儲域和數據訪(fǎng)問(wèn)域的隔離，實(shí)現數據機密性、完整性和不可篡改性。

（2）通過(guò)密文策略的屬性加密技術(shù)，實(shí)現細粒度的訪(fǎng)問(wèn)控制，并由聯(lián)盟鏈服務(wù)器為用戶(hù)執行耗時(shí)的中間解密過(guò)程，減小用戶(hù)的計算開(kāi)銷(xiāo)。

（3）通過(guò)結果的可驗證，保證搜索結果的正確性，防止被惡意攻擊。

論文對本方案進(jìn)行了安全分析和性能評估，結果表明，本方案具有較高安全性和計算效率。

2 相關(guān)工作

2.1 可搜索加密

可搜索加密（Searchable Encryption，SE）是一種在不需要解密的情況下，可以直接對存儲在云端服務(wù)器上的加密數據文件進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索的技術(shù)。常見(jiàn)的可搜索加密方案包括對稱(chēng)可搜索加密（Symmetric Searchable Encryption，SSE）與公鑰可搜索加密（Public Key Encryption with Keywords Search，PEKS）。最初，Goldreich和Ostrovsky于2000年提出可搜索加密的概念。基于此，Song等人提出第一個(gè)實(shí)用的對稱(chēng)可搜索加密的構造方案。該方案通過(guò)使用特殊的2層加密結構來(lái)搜索加密數據，使用順序掃描來(lái)搜索密文。但由于每次搜索都需要遍歷整個(gè)密文文件，搜索時(shí)間和文件大小線(xiàn)性相關(guān)，搜索效率低。Goh等人構造了第一個(gè)基于索引的方案，利用Bloom過(guò)濾器以及偽隨機函數來(lái)構建安全索引。Chen首次提出了S-HashMap索引結構，在實(shí)現多關(guān)鍵字模糊密文檢索的同時(shí)，使數據的更新更高效、更安全。Stefanov等人首次提出前向安全的概念并設計了相應方案，該方案泄露信息更少且效率更高，在最壞的情況下該方案支持亞線(xiàn)性時(shí)間內的更新和搜索，同時(shí)保持僅線(xiàn)性大小的數據結構。

但隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，單一可搜索加密技術(shù)已不能滿(mǎn)足數據的功能性和安全性需求，迫切需要新技術(shù)的加入來(lái)解決此問(wèn)題。

2.2 可搜索加密與區塊鏈的結合

利用可搜索加密技術(shù)實(shí)現鏈上數據加密及密文搜索是當前常見(jiàn)的一種解決方案。可搜索加密搜索的對象是加密密文，因此需要事先選擇搜索關(guān)鍵詞，加密生成查詢(xún)目標密文。在構建鏈上可搜索加密方案時(shí)，研究人員將關(guān)注點(diǎn)放在加密搜索安全性及性能上的提升，區塊鏈僅僅作為方案實(shí)現的平臺，提供可信的數據存儲及檢索功能。例如，Chen等人針對醫療數據，提出基于區塊鏈的電子病例（EHR）可搜索加密方案，該方案中索引存儲在區塊鏈中，區塊鏈技術(shù)的使用確保EHR索引的完整性、防篡改性和可追溯性。Li等人提出了一種基于區塊鏈的索引分層可搜索加密方案，該方案首先設計了一種分層搜索索引結構并將其外包給區塊鏈網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現可靠的分層搜索。Ali等人提出將區塊鏈作為一個(gè)分布式數據庫，采用同態(tài)加密技術(shù)，以確保對數據庫的安全搜索和基于關(guān)鍵詞的訪(fǎng)問(wèn)。

但是這些工作中，區塊鏈只提供存儲與檢索功能，如何利用區塊鏈的其他特性來(lái)滿(mǎn)足方案的需求值得去深入研究。本方案提出利用聯(lián)盟鏈服務(wù)器性能優(yōu)勢，為用戶(hù)提供中間解密功能，可以大大縮短用戶(hù)解密時(shí)間，提升用戶(hù)使用體驗。

2.3 基于屬性的可搜索加密

屬性加密是Sahai和Waters在2005年提出的概念，他們將訪(fǎng)問(wèn)結構結合在密文中，從而達到訪(fǎng)問(wèn)控制的目的。屬性加密可分為密文策略屬性加密（CP-ABE）和密鑰策略屬性加密（KP-ABE），當前學(xué)者針對CP-ABE的研究較多。Sun等人受屬性加密的啟發(fā)提出了第一個(gè)基于屬性的關(guān)鍵詞檢索方案，從而實(shí)現了細粒度訪(fǎng)問(wèn)控制。Qiu等人提出了支持隱藏訪(fǎng)問(wèn)策略的基于屬性的可搜索加密方案，如果數據用戶(hù)的屬性憑證不能滿(mǎn)足數據所有者指定的訪(fǎng)問(wèn)控制策略，則數據用戶(hù)無(wú)法搜索加密數據并了解有關(guān)訪(fǎng)問(wèn)結構的任何信息。Liu等人為解決密鑰管理等安全問(wèn)題，引入區塊鏈技術(shù)，利用其去中心化的性質(zhì)，負責系統參數與密鑰生成等過(guò)程，使方案更加安全。

但是，現有的基于屬性的可搜索加密方案，均需把關(guān)鍵詞一同通過(guò)屬性進(jìn)行加密，這大大增加了加密耗時(shí)與陷門(mén)生成耗時(shí)。本方案將關(guān)鍵詞與文件索引單獨加密，屬性加密只對加密文件的對稱(chēng)密鑰進(jìn)行加密，效率更高。

3 系統模型

本方案采用層級區塊鏈架構，加密數據存儲在私有鏈上，關(guān)鍵詞索引等存儲在聯(lián)盟鏈，從而有效降低數據泄露的風(fēng)險，并保證用戶(hù)數據的不可篡改。層級鏈示意圖如圖1所示。

本方案提出的系統模型主要包含4大實(shí)體，分別是：數據擁有者（DO）、數據用戶(hù)（DU）、私有鏈（PB）和聯(lián)盟鏈（CB）。

圖1 層級鏈技術(shù)

DU可根據關(guān)鍵詞搜索DO發(fā)布的加密數據。PB是DO維護的私有區塊鏈，負責存儲DO加密后的數據。CB由各數據使用方共同構成和維護，負責存儲加密索引、文件哈希值等，并通過(guò)智能合約執行搜索算法，CB還可代替DU完成中間解密工作，減少DU的計算耗時(shí)，提高效率和體驗。該方案的系統模型如圖2所示。

圖2 系統模型

4 系統實(shí)現

基于上一節提到的系統模型，本節基于屬性加密技術(shù)和可搜索加密技術(shù)，構建了一個(gè)基于層級區塊鏈的數據安全保護方案。該方案兼顧了數據存儲的機密性、完整性與數據檢索的靈活性。

本方案的設計思想是采用層級鏈的架構，私有鏈PB存儲數據密文，聯(lián)盟鏈CB存儲關(guān)鍵詞索引等信息，通過(guò)數據存儲域和數據訪(fǎng)問(wèn)域的隔離，達到數據保護的目的，保護數據的機密性、完整性和不可篡改性。其具體工作流程如圖3所示：

圖3 系統工作流程

（1）CB先進(jìn)行系統初始化，生成公共參數和主密鑰，公開(kāi)公共參數并保留主密鑰；

（2）DO將自己的數據文件進(jìn)行加密后上傳至PB；

（3）PB返回文件的存儲位置給DO；

（4）DO根據關(guān)鍵詞及文件列表生成加密索引，連同文件存儲位置、文件哈希值、訪(fǎng)問(wèn)策略等信息上傳至CB；

（5）DU向DO發(fā)起關(guān)鍵詞查詢(xún)請求；

（6）DO根據DU提供的關(guān)鍵詞為其生成對應的陷門(mén)；

（7）DU將陷門(mén)上傳至CB發(fā)起關(guān)鍵詞查詢(xún)請求；

（8）CB首先判斷DU的屬性是否滿(mǎn)足訪(fǎng)問(wèn)策略的要求，若滿(mǎn)足則執行檢索算法并向PB獲取加密文件；

（9）PB將密文文件返回給CB；

（10）CB首先生成解密密鑰并執行耗時(shí)的中間解密過(guò)程得到中間密文，連同文件哈希值等信息發(fā)送至數據用戶(hù)DU；

（11）DU執行最后一步輕量級解密算法獲得明文，并可根據哈希值判斷文件的完整性，驗證結果是否正確。

5 安全分析與性能評估

5.1 安全分析

（1）機密性

所有隱私信息均加密存儲，其中原始數據加密存儲在PB上，索引加密存儲在CB上，密鑰使用屬性加密保護，只有屬性滿(mǎn)足訪(fǎng)問(wèn)策略的用戶(hù)才能成功解密；同時(shí)關(guān)鍵詞也進(jìn)行加密處理，除了DO和DU，沒(méi)有參與方可以獲取到關(guān)鍵詞的明文信息。因此，機密性得以保證。

（2）不可篡改性和完整性

首先，數據存儲在鏈上，區塊鏈不可篡改的性質(zhì)保證了數據完整性，惡意用戶(hù)無(wú)法修改鏈上數據。其次，數據用戶(hù)收到數據密文的同時(shí)得到原始數據的哈希值，由此可以驗證數據的完整性。

通過(guò)以上分析，在本方案中，數據加密存儲以保證機密性，使用屬性加密保護密鑰，實(shí)現了安全的訪(fǎng)問(wèn)控制。數據鏈上存儲，利用區塊鏈的共識機制，保證數據的完整性和不可篡改性。因此本文所提的數據保護方案在各個(gè)環(huán)節中均很好地保護了數據的安全。

5.2 性能評估

本節將從功能性和計算開(kāi)銷(xiāo)來(lái)評估本文方案和其他方案的主要性能。

表1給出了本文所提出方案與文獻[11]-[13]所提出方案的功能性對比。從表1可以看出，文獻[11]-[13]所提出方案均支持隱私保護、訪(fǎng)問(wèn)控制與可搜索加密，文獻[13]所提出方案引入區塊鏈技術(shù)以防止惡意行為，使方案更安全。而相比這3種方案，本文所提方案支持外包解密和結果可驗證功能，由聯(lián)盟鏈代替用戶(hù)進(jìn)行耗時(shí)的中間解密工作，用戶(hù)只需要進(jìn)行輕量級解密即可獲得最終明文，大大提升用戶(hù)體驗。結果可驗證功能的加入，可以使用戶(hù)對搜索結果完整性進(jìn)行驗證，防止收到錯誤結果。總的來(lái)說(shuō)，本文所述方案在隱私保護、訪(fǎng)問(wèn)控制、可搜索加密、外包解密、結果可驗證等方面均具有優(yōu)勢，兼具功能性和安全性。

表1 功能性對比

在算法計算開(kāi)銷(xiāo)方面，綜合評估了本方案在系統初始化、密鑰生成和加密3個(gè)階段的計算開(kāi)銷(xiāo)，并與文獻[11]-[13]所提出方案進(jìn)行對比。在3個(gè)階段的整體計算開(kāi)銷(xiāo)上，文獻[11]所提方案所需時(shí)間為5n的群運算時(shí)間，文獻[12]所提方案需要4n的群運算時(shí)間，而文獻[13]所提方案需要20n的群運算時(shí)間。本文方案整體需要4n的群運算時(shí)間，但相比文獻[12]方案需要更少的哈希計算時(shí)間。因此本方案計算開(kāi)銷(xiāo)明顯優(yōu)于其他方案。

6 結語(yǔ)

本文提出了一種基于層級鏈技術(shù)的數據保護方案。該方案融合區塊鏈技術(shù)、可搜索加密技術(shù)與屬性加密技術(shù)，將密文數據存儲在私有區塊鏈上，加密關(guān)鍵詞索引存儲在聯(lián)盟鏈中，并通過(guò)屬性加密進(jìn)行細粒度訪(fǎng)問(wèn)控制，使得只有滿(mǎn)足訪(fǎng)問(wèn)控制策略的用戶(hù)才能對數據進(jìn)行解密訪(fǎng)問(wèn)，保證了數據的機密性、完整性和不可篡改性。相較于其他方案，本方案在計算開(kāi)銷(xiāo)上有一定優(yōu)勢。未來(lái)的研究工作中，我們將結合具體應用場(chǎng)景，進(jìn)一步完善方案，使方案滿(mǎn)足更多安全需求的同時(shí)，效率更高。

（原載于《保密科學(xué)技術(shù)》雜志2023年3月刊）